張家川水庫面板混凝土變形性能研究

杜 磊

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，蘭州 730000）

1 工程概況

張家川水庫工程位于甘肅省天水市張家川回族自治縣。工程樞紐由大壩、溢洪道、泄洪洞、引水工程等建筑物組成，水庫總庫容為498.00 萬m3，設計壩頂高程1947 m，壩型為面板堆石壩，最大壩高71 m，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模小（1）型，主要建筑物按4 級建筑物設計，次要及臨時建筑物按5 級設計。

混凝土面板堆石壩投資成本低、工期短、可靠性高，因而得到廣泛應用，面板混凝土的質量對工程起關鍵作用。張家川水庫面板混凝土設計強度等級為C30，抗?jié)B等級為W10，抗凍等級為F200，對混凝土性能要求較高。

通過試驗研究，對混凝土原材料進行全面分析，摻入粉煤灰來降低混凝土水化熱，降低由于水化熱引起的面板開裂問題；通過摻入減縮劑和增密劑來提高混凝土的抗變形能力。

2 試驗材料和方法

試驗用水泥為祁連山P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，物理化學性能滿足規(guī)范要求；粉煤灰采用甘谷電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，含水率≤1%，細度為20%；細骨料為人工砂，細度模數(shù)為2.6；粗骨料為5～20 mm、20～40 mm碎石；外加劑為四川巨星新型材料有限公司生產的減水劑、引氣劑和JX-CNH100型液體混凝土減縮抗裂防水密實劑以及武漢化工學院生產的WHDF混凝土增強密實（抗裂）劑。

為確定粗骨料的最佳摻配比例，試驗通過單因素法調整比例，試驗結果見表1。

表1 粗骨料摻配比例試驗結果

從表1的結果看，粗骨料在比例為45∶55時，密度最大、孔隙率最小。但從現(xiàn)場進行混凝土配合比設計試驗時的拌合物和易性比較，比例為50∶50 時較好，確定其為最佳比例。

3 結果與分析

3.1 粉煤灰摻量的影響

3.1.1 粉煤灰摻量對膠砂強度的影響

對比粉煤灰摻量分別在0、10%、20%、30%時對水泥膠砂強度的影響，試驗結果見圖1。

圖1 不同粉煤灰摻量強度與齡期關系曲線

從圖1可以看出，隨著粉煤灰摻量增加，水泥膠砂的抗折強度、抗壓強度均減小。摻入粉煤灰早期強度較水泥組低，摻入粉煤灰使膠凝材料水化產物量減少、強度降低。粉煤灰中玻璃體相對穩(wěn)定，水化速度較水泥慢，后期粉煤灰水化所需Ca（OH）2濃度增大，水化反應速度增快。粉煤灰摻量在10%～20%的膠砂28 d強度與水泥組接近，從經濟角度選擇粉煤灰最佳摻量為20%。

3.1.2 粉煤灰摻量對水化熱的影響

粉煤灰摻量對水化熱影響試驗結果見表2和圖2。粉煤灰的玻璃體中氧化硅和氧化鋁與水泥水化產物Ca（OH）2反應，反應為吸熱反應使膠凝材料水化熱降低。

表2 粉煤灰摻量對水化熱的影響

圖2 粉煤灰摻量對水化熱的影響

從圖2可以看出，隨著粉煤灰摻量增多，水化熱降低率增大，每增加10%粉煤灰，水化熱降低率約為10%，粉煤灰摻量與水化熱降低率呈現(xiàn)線性關系；隨著養(yǎng)護齡期延長，水化降低率逐漸降低。

3.2 砂率的影響

砂率是混凝土配合比的關鍵參數(shù)之一，砂率的變化影響骨料空隙率和粗骨料相對含量的變化，進而對混凝土拌合物的工作性能、強度和耐久性產生影響。試驗通過調整砂率，得出最佳砂率，試驗測試結果見表3。從表3可以看出，隨著砂率變化，對拌和混凝土的坍落度和和粘聚性均有影響，試驗得出最佳砂率為38%。

表3 砂率對拌合物性能的影響

3.3 外加劑的影響

混凝土拌和時摻入外加劑對拌合物工作性能有較大的影響，試驗對比3種外加劑對混凝土拌合物性能影響（見表4）。從表4可以看出，隨著減水劑摻量增加，拌合物坍落度增大，摻入增密劑可以提高混凝土的粘聚性，摻入減縮劑混凝土的含氣量增大。

表4 外加劑對拌合物性能的影響

3.4 水膠比對抗壓強度的影響

水膠比的大小直接影響混凝土的強度、耐久性和工作性能。面板混凝土設計強壓強度等級為C30，為保證混凝土的強度達到設計要求，通過調整水膠比來確定其對混凝土抗壓強度的影響，試驗結果如圖3。

圖3 水膠比對抗壓強度的影響

從圖3可以看出，隨著膠水比增大，混凝土抗壓強度增加，混凝土抗壓強度與膠水比呈線性關系。水膠比不大于2.38時，抗壓強度滿足設計要求。

3.5 混凝土變形性能

混凝土的變形包括非荷載下的變形和荷載下的變形。非荷載下的變形主要由混凝土所用材料和溫度引起，提高混凝土變形性能的措施主要有摻入活性材料和外加劑[1～4]。試驗對比外加劑對混凝土影響，確定最佳外加劑。

3.5.1 干濕變形

干濕變形是指由于混凝土周圍環(huán)境濕度的變化，會引起混凝土的干濕變形，表現(xiàn)為干縮濕脹[5，6]。分別對R03、R05、R07 進行干縮、濕脹試驗，試驗結果見圖4和圖5。

圖4 干縮率的影響

圖5 濕漲率的影響

從圖4 和圖5 可以看出，摻入增密劑和減縮劑均可提高混凝土的抗干濕變形能力。使用減縮劑可降低表面張力，較大幅度地降低干燥收縮。增密劑可促進水泥水化程度、優(yōu)化水化產物、協(xié)同激發(fā)混凝土中活性混合料與Ca（OH）2進行二次水化等作用，提高混凝土中凝膠量、降低孔隙率、改善級配和水泥石及其與骨料界面結構，增強凝膠的粘結力，使混凝土具有良好的抗干縮性。

3.5.2 化學收縮

在混凝土硬化過程中，由于水泥水化物的固體體積比反應前物質的總體積小，從而引起混凝土的收縮[7～10]。化學收縮在混凝土內部可能產生微細裂縫而影響承載狀態(tài)和耐久性。體積變形試驗結果如圖6。

圖6 自身體積變形量的影響

從圖6 可以看出，摻入增密劑使混凝土自身體積變形量變小，增密劑改變了混凝土內部結構，混凝土內部結構更加致密。

4 結語

張家川水庫面板混凝土施工已完成，摻入增密劑提高了混凝土的抗變形能力，保證了工程質量。試驗研究得出以下結論；

（1）摻入粉煤灰可降低混凝土水化熱，每增加10%粉煤灰摻量，混凝土水化熱降低約10%。

（2）膠水比與混凝土抗壓強度呈線性關系。

（3）摻入減縮劑可提高混凝土抗干濕變形能力。

（4）摻入增密劑可提高混凝土抗自身變形能力。